在 C\C++ 中实现多生产者/消费者无锁队列答案

【问题标题】：Implementing a multiple producer/consumer lockless queue in C\C++在 C\C++ 中实现多生产者/消费者无锁队列
【发布时间】：2012-01-12 09:08:28
【问题描述】：

我已经在一个无锁队列上的单个生产者/消费者上完成了我的基本实现，它运行良好。但是，当我尝试将其扩展到多个生产者/消费者时，我开始遇到冲突。我通过 SO 找到了一篇与此问题相关的类似帖子 (Is there such a thing as a lockless queue for multiple read or write threads?)，并且我发现了一篇文章对原始实现进行了更深入的介绍。我也对这篇文章感到困惑，希望得到一些指导。

首先是这个实现在使用多个生产者/消费者时是否真的有效，或者在与多个生产者/消费者设置一起工作的原始 Michael-Scott 实现中是否缺少某些东西。

第二个是在An Optimistic Approach to Lock-Free FIFO Queues 文章中的 Dequeue 部分显示了一个虚拟值的使用。如何确定要使用的适当值？如果我使用整数，什么能让我确定我为虚拟值选择的整数不是我决定排队的实际值？

任何建议或总体方向都会很棒。如果有人想知道我正在 Visual Studio 中创建它，以便更好地理解非阻塞算法。我想让它尽可能通用，以便我可以排队任何想要的东西（队列中的数据是模板化的，因此用户可以指定要排队的内容）。

【问题讨论】：

也许this article 感兴趣。
我一直觉得无锁环形缓冲区最适合支持 LL-FIFO（仍然不确定它们有多安全，忙于测试我的一些想法 atm）。
@KerrekSB：我在找那篇文章。谢谢
@KerrekSB：读完那篇文章后，我有几个问题，也许你可以澄清一下。这提到了临界区和自旋锁的使用，所以通常这仍然使用一种锁。在这种情况下，我们必须有一个锁吗？是否有，目前没有安全锁少多生产者/消费者算法？
@Seb：所讨论的“锁”只是一个本地锁，它保护一个非常短的操作，即两个指针的更新。在这种情况下，旋转不是问题，因为您不会旋转很长时间，而且忙碌的等待可能比任何其他会触发上下文切换的锁更快。您不能没有某种类同步，并且由于通常没有用于关键部分的原子硬件原语，因此自旋锁是一个合适的解决方案...

标签： c++ multithreading queue nonblocking

【解决方案1】：

提防邪恶：ABA problem。

您可以开始阅读this、this 和this。

【讨论】：

【解决方案2】：

您可以制作一个廉价的包装器类型，以便您可以跟踪项目的有效性，并且用户可以透明地传递值而无需担心它。这会产生一些小的内存开销，但如果您想允许空值的入队和出队（而不是将它们视为“虚拟”哨兵），则没有更好的方法。

例子：

template<typename T>
class MyQueue
{
    /* . . . */
public:
    void Enqueue(T * value)
    {
        MyQueueItem item;
        item.value = value;
        item.isValid = true;

        /* enqueue it now
           . . . */
    }

    T * Dequeue()
    {
        MyQueueItem validItem;
        /* Get the first element where isValid == true
           . . . */
        return validItem.value;
    }

private:
    struct MyQueueItem
    {
        T * value;
        bool isValid;
    };
};

【讨论】：

【解决方案3】：

没有明确支持在 C++ 中实现非阻塞队列所需的原子 cpu 指令（不过，它在较新的规范中）。

您可以访问您机器上的说明，但您必须内联一些程序集或找到一个库（TBB 或 boost）来为您完成。

【讨论】：